本發(fā)明屬于無(wú)線電傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于高溫超導(dǎo)線圈用于城市列車充電的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無(wú)線電能傳輸在很早的時(shí)候由Nikola Tesla提出，是一種通過非接觸的方式傳輸電能的方法。用此方法進(jìn)行電能傳輸，可以消除傳統(tǒng)電能傳輸過程中輸電端和受電端有電氣連接所存在的缺陷，如插頭磨損，導(dǎo)線裸露，接觸電火花等，因此具有安全，環(huán)保，維護(hù)方便等特點(diǎn)。

因?yàn)榉墙佑|式的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)線電能傳輸技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)在廠礦，裝配車間，水下，井下以及各種易燃易爆環(huán)境中有了廣泛的應(yīng)用。此外，在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)，電池充電，人體內(nèi)置式電子裝置供電等領(lǐng)域，無(wú)線電能傳輸也有非常重要的作用。

由于系統(tǒng)自身電阻的存在和能量的控制比較困難，目前，無(wú)線輸電的傳輸效率普遍不高；另外，傳輸距離較短(諧振式約2米)，供電頻率高(諧振式10MHz)。這些缺陷阻礙了無(wú)線輸電技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

目前無(wú)線電能傳輸大體有三種形式：感應(yīng)耦合無(wú)限電能傳輸，諧振耦合無(wú)限電能傳輸，微波輻射無(wú)線電能傳輸。感應(yīng)耦合在三者中能傳輸較大的功率，但是傳輸距離較小，微波輻射的能量損耗較大，而且技術(shù)上有較多難點(diǎn)，應(yīng)用也很少。諧振耦合方式利用諧振傳輸能量的原理，能實(shí)現(xiàn)較高效率的傳輸，而且傳輸距離不會(huì)限制得非常短。在此基礎(chǔ)上，提升諧振耦合的傳輸功率，能大大增強(qiáng)其的應(yīng)用前景。對(duì)于城市列車來(lái)說，能夠用無(wú)線電能傳輸方式進(jìn)行充電將會(huì)大大提高列車使用的便利性，因此此項(xiàng)技術(shù)具有重要意義。

然而以往的無(wú)線輸電系統(tǒng)無(wú)論是感應(yīng)式的，還是諧振式的，其參與感應(yīng)耦合和諧振耦合的線圈都是普通的銅線圈，由于銅線圈的電阻效應(yīng)，當(dāng)銅線圈上通過較大的電流時(shí)，銅線圈上將會(huì)產(chǎn)生較大的熱損耗，為了保證銅線圈的正常工作，銅線圈上傳輸?shù)碾娏鞑荒苓^大，因此這種無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)無(wú)法滿足類似于城市列車這種大功率負(fù)載的需要。另外，如何在滿足城市列車充電的基礎(chǔ)上盡可能減小整個(gè)裝置占用的空間也是急需要解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于高溫超導(dǎo)線圈用于城市列車充電的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以允許通過較大的電流，以滿足城市列車大功率充電的需求。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

基于高溫超導(dǎo)線圈用于城市列車充電的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括依次連接的高頻電源模塊、諧振耦合模塊和負(fù)載模塊；

諧振耦合模塊包括安裝在列車軌道側(cè)的發(fā)射線圈和安裝在列車側(cè)的接收線圈，發(fā)射線圈和接收線圈組成諧振耦合電路，發(fā)射線圈與高頻電源模塊連接，接收線圈與負(fù)載模塊連接，發(fā)射線圈和接收線圈均呈方形的平面螺旋型結(jié)構(gòu)，發(fā)射線圈和接收線圈均由高溫超導(dǎo)材料制成，諧振耦合模塊還包括初級(jí)液氮裝置和次級(jí)液氮裝置，發(fā)射線圈放置在初級(jí)液氮裝置內(nèi)，接收線圈放置在次級(jí)液氮裝置內(nèi)，初級(jí)液氮裝置呈與發(fā)射線圈形狀相適應(yīng)的方形結(jié)構(gòu)，次級(jí)液氮裝置呈與接收線圈形狀相適應(yīng)的方形結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述高頻電源模塊包括大功率電源、整流濾波電路和逆變電路，所述大功率電源與整流濾波電路之間、所述整流濾波電路與逆變電路之間均采用銅導(dǎo)線進(jìn)行連接，所述逆變電路的輸出端與諧振耦合模塊的發(fā)射線圈電連接。大功率電源發(fā)出的電能先經(jīng)整流濾波電路，經(jīng)過整流濾波電路后的電能再進(jìn)入到逆變電路中，此時(shí)，大功率電源發(fā)出的電能將變?yōu)闈M足諧振耦合頻率要求的高頻電能，并傳輸?shù)桨l(fā)射線圈內(nèi)。

優(yōu)選的，發(fā)射線圈的輸入端設(shè)有輸入連接器，逆變電路的輸出端通過銅導(dǎo)線與輸入連接器連接。上述連接方式保證了系統(tǒng)各部分之間的可靠連接。

優(yōu)選的，所述負(fù)載模塊包括電能轉(zhuǎn)換電路和負(fù)載，所述電能轉(zhuǎn)換電路與負(fù)載之間通過銅導(dǎo)線進(jìn)行連接，電能轉(zhuǎn)換電路的輸入端與諧振耦合模塊的接收線圈電連接。電能轉(zhuǎn)換電路可將接收線圈輸出的電能轉(zhuǎn)換成適合負(fù)載使用頻率的電能。

優(yōu)選的，接收線圈的輸出端設(shè)有輸出連接器，電能轉(zhuǎn)換電路的輸入端通過銅導(dǎo)線與輸出連接器連接。上述連接方式保證了系統(tǒng)各部分之間的可靠連接。

優(yōu)選的，所述發(fā)射線圈和所述接收線圈的尺寸完全一致。

優(yōu)選的，所述發(fā)射線圈和接收線圈均采用釔鋇銅氧材料制成。釔鋇銅氧的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高于液氮的沸點(diǎn)，當(dāng)用液氮對(duì)發(fā)射線圈和接收線圈進(jìn)行冷卻時(shí)，能保證發(fā)射線圈和接收線圈始終保持在超導(dǎo)狀態(tài)。

優(yōu)選的，所述發(fā)射線圈和接收線圈均采用帶材釔鋇銅氧材料制成。

優(yōu)選的，初級(jí)液氮裝置和次級(jí)液氮裝置均采用保溫隔熱材料制成。保溫隔熱材料制成的液氮裝置可有效的減少液氮的揮發(fā)。

優(yōu)選的，初級(jí)液氮裝置和次級(jí)液氮裝置上均設(shè)有液氮罐入口。液氮罐入口一方面可用于補(bǔ)充液氮，另一方面，由于液氮的氣化溫度較低，當(dāng)液氮裝置內(nèi)的部分液氮?dú)饣?，為氣態(tài)氮的排出提供通道。

本方案的工作原理是：在采用該系統(tǒng)對(duì)列車進(jìn)行無(wú)線充電時(shí)，大功率電源發(fā)出的工頻電能輸入到整流濾波電路中，經(jīng)整流濾波電路后輸入到逆變電路中，經(jīng)逆變電路輸出的電能為滿足諧振耦合電路需要的高頻電能，逆變電路輸出的高頻電能再輸入到發(fā)射線圈內(nèi)，發(fā)射線圈內(nèi)的高頻電能再通過諧振耦合的方式傳輸?shù)浇邮站€圈內(nèi)，接收線圈內(nèi)的電能再輸入到電能轉(zhuǎn)換電路中，電能轉(zhuǎn)換電路再將高頻電能轉(zhuǎn)換為合適頻率的電能對(duì)負(fù)載即列車進(jìn)行大功率的充電。

本方案的效果在于：

1、由于發(fā)射線圈和接收線圈均是由高溫超導(dǎo)材料制成，同時(shí)兩者分別放置在初級(jí)液氮裝置和次級(jí)液氮裝置內(nèi)，則此時(shí)發(fā)射線圈和接收線圈均處于超導(dǎo)狀態(tài)，利用超導(dǎo)時(shí)，發(fā)射線圈和接收線圈的電阻幾乎為0的特性，使得發(fā)射線圈和接收線圈上不會(huì)產(chǎn)生大量的電流熱損耗，故本系統(tǒng)可以允許通過較大的電流，有效提升系統(tǒng)傳輸?shù)碾娏髦担瑫r(shí)大大提高了系統(tǒng)的輸出功率和效率，滿足了城市列車大功率充電的需求。

2、在諧振耦合過程中，由于發(fā)射線圈和接收線圈本身帶有電感，同時(shí)將發(fā)射線圈和接收線圈均設(shè)置為方形的平面螺旋型結(jié)構(gòu)，通過這種繞制的方式，使得發(fā)射線圈和接收線圈的匝間具有分布電容，通過電感和電容的共同作用，使得發(fā)射線圈和接收線圈在特定的頻率下具有諧振特性。

3、本方案中將發(fā)射線圈和接收線圈均設(shè)置成方形的平面螺旋型結(jié)構(gòu)，在滿足諧振耦合要求的基礎(chǔ)上，發(fā)射線圈和接收線圈均在平面內(nèi)進(jìn)行繞制，這就使得發(fā)射線圈和接收線圈所占據(jù)的空間將大大的減小，整個(gè)系統(tǒng)占用的空間也相應(yīng)的減小，滿足了列車充電時(shí)對(duì)充電系統(tǒng)占據(jù)空間的限制。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明：

圖1為本發(fā)明基于高溫超導(dǎo)線圈用于城市列車充電的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明基于高溫超導(dǎo)線圈用于城市列車充電的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明基于高溫超導(dǎo)線圈用于城市列車充電的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中發(fā)射線圈和接收線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明基于高溫超導(dǎo)線圈用于城市列車充電的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中初級(jí)液氮裝置和次級(jí)液氮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明基于高溫超導(dǎo)線圈用于城市列車充電的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路圖。

說明書附圖中的標(biāo)記如下：大功率電源1、整流濾波電路2、逆變電路3、初級(jí)液氮裝置4、次級(jí)液氮裝置5、電能轉(zhuǎn)換電路6、負(fù)載7、銅導(dǎo)線8、輸入連接器9。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如附圖1和附圖2所示，基于高溫超導(dǎo)線圈用于城市列車充電的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括高頻電源模塊、諧振耦合模塊和負(fù)載模塊，高頻電源模塊依次包括大功率電源1、整流濾波電路2和逆變電路3，大功率電源1、整流濾波電路2和逆變電路3之間均采用較粗線徑的銅導(dǎo)線8進(jìn)行連接，其中大功率電源1發(fā)出的電能先經(jīng)整流濾波電路2，經(jīng)過整流濾波電路2后的電能再進(jìn)入到逆變電路3中，此時(shí)，大功率電源1發(fā)出的工頻電能將變?yōu)闈M足諧振耦合頻率要求的高頻電能。

諧振耦合模塊包括作為輸入端的發(fā)射線圈和作為輸出端的接收線圈，其中發(fā)射線圈的輸入端設(shè)有輸入連接器9，逆變電路3的輸出端通過銅導(dǎo)線8與輸入連接器9連接，接收線圈的輸出端設(shè)有輸出連接器。發(fā)射線圈和接收線圈的形狀完全一致，如附圖3所示，發(fā)射線圈和接收線圈均呈方形的平面螺旋型結(jié)構(gòu)，在使用時(shí)，由于發(fā)射線圈和接收線圈本身帶有電感，通過平面螺旋型的繞制方式，使得發(fā)射線圈和接收線圈的匝間具有分布電容，通過電感和電容的共同作用，使得發(fā)射線圈和接收線圈在特定的頻率下具有諧振特性。另一方面，將發(fā)射線圈和接收線圈均設(shè)置成方形的平面螺旋型結(jié)構(gòu)，在滿足諧振耦合要求的基礎(chǔ)上，發(fā)射線圈和接收線圈均在平面內(nèi)進(jìn)行繞制，這就使得發(fā)射線圈和接收線圈所占據(jù)的空間將大大的減小，整個(gè)系統(tǒng)占用的空間也相應(yīng)的減小，滿足了列車充電時(shí)對(duì)充電系統(tǒng)占據(jù)空間的限制。

發(fā)射線圈和接收線圈均由高溫超導(dǎo)材料制成，本實(shí)施例中發(fā)射線圈和接收線圈均采用帶材釔鋇銅氧材料制成，為了使發(fā)射線圈和接收線圈處于超導(dǎo)的工作狀態(tài)，將發(fā)射線圈置于初級(jí)液氮裝置4內(nèi)，接收線圈置于次級(jí)液氮裝置5內(nèi)，如附圖4所示，初級(jí)液氮裝置4和次級(jí)液氮裝置5呈與發(fā)射線圈和接收線圈形狀相適應(yīng)的方形結(jié)構(gòu)。由于釔鋇銅氧的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高于液氮的沸點(diǎn)，當(dāng)用液氮對(duì)發(fā)射線圈和接收線圈進(jìn)行冷卻時(shí)，能保證發(fā)射線圈和接收線圈始終保持在超導(dǎo)狀態(tài)。初級(jí)液氮裝置4和次級(jí)液氮裝置5均采用保溫隔熱材料制成，保溫隔熱材料制成的液氮裝置可有效的減少液氮的揮發(fā)。在初級(jí)液氮裝置4和次級(jí)液氮裝置5上均開設(shè)有液氮罐入口，液氮罐入口一方面可用于補(bǔ)充液氮，另一方面，由于液氮的氣化溫度較低，當(dāng)液氮裝置內(nèi)的部分液氮?dú)饣螅瑸闅鈶B(tài)氮的排出提供通道。

負(fù)載模塊包括電能轉(zhuǎn)換電路6和負(fù)載7，其中電能轉(zhuǎn)換電路6的輸入端通過銅導(dǎo)線8與接收線圈11輸出端的輸出連接器連接，電能轉(zhuǎn)換電路6可將接收線圈11輸出的電能轉(zhuǎn)換成適合負(fù)載7使用頻率的電能。

如附圖5所示為該系統(tǒng)的等效電路模型，圖中U為等效高頻電源，C1為發(fā)射側(cè)等效電容，L1為發(fā)射側(cè)線圈等效電感，R1為發(fā)射側(cè)導(dǎo)線等效電阻，C2為接收側(cè)等效電容，L2為接收側(cè)線圈等效電感，R2為接收側(cè)導(dǎo)線等效電阻，RL為負(fù)載電阻。

由基爾霍夫電壓定律可列回路方程：

其中，Z₁和Z₂分別表示發(fā)射側(cè)回路和接收側(cè)回路的等效阻抗：

將(3)、(4)代入(1)、(2)可得：

本系統(tǒng)為諧振耦合系統(tǒng)，根據(jù)電路模型，諧振時(shí)的諧振頻率ω₀應(yīng)滿足：

發(fā)射側(cè)和接收側(cè)的線圈結(jié)構(gòu)和線圈參數(shù)基本一致，因此R₁和R₂基本一致。

令：

R₁＝R₂＝R (8)

對(duì)(5)、(6)式求解，可得：

系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率分別為：

由(11)、(12)式可以看出，導(dǎo)線及線圈的電阻值對(duì)系統(tǒng)的輸出功率和效率都會(huì)有影響，電阻越大，輸出功率和效率都會(huì)越小。故當(dāng)采用超導(dǎo)線圈后，線圈的電阻幾乎為0，只剩部分導(dǎo)線電阻，使得兩式中的大大降低，因此會(huì)大大提高系統(tǒng)的輸出功率和效率。

本系統(tǒng)的工作原理：在采用該系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線電的傳輸時(shí)，大功率電源1發(fā)出的工頻電能先經(jīng)整流濾波電路2進(jìn)行處理，然后經(jīng)逆變電路3轉(zhuǎn)換成高頻電能，轉(zhuǎn)換后的高頻電能通入到發(fā)射線圈10內(nèi)，再經(jīng)諧振耦合的方式將發(fā)射線圈10的電能輸送到接收線圈11內(nèi)，接收線圈11發(fā)出的電能通入到電能轉(zhuǎn)換電路6中，電能轉(zhuǎn)換電路6將高頻電能轉(zhuǎn)換成適合負(fù)載7使用頻率的電能后供負(fù)載7使用。

在電能傳輸過程中，由于發(fā)射線圈和接收線圈是由釔鋇銅氧材料制成，同時(shí)兩者均放置在各自獨(dú)立的液氮裝置內(nèi)，由于釔鋇銅氧的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高于液氮的沸點(diǎn)，故發(fā)射線圈和接收線圈可始終保持在超導(dǎo)狀態(tài)，由系統(tǒng)等效電路模型推導(dǎo)出的公式可知，當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，發(fā)射線圈和接收線圈的電阻幾乎為0，因此會(huì)大大提高系統(tǒng)的輸出功率和效率，進(jìn)而滿足了城市列車這種大功率負(fù)載7的需求。在實(shí)際使用過程中，當(dāng)城市列車定點(diǎn)停車時(shí)，發(fā)射線圈和接收線圈相對(duì)，在一定頻率下產(chǎn)生耦合聯(lián)系，在停車的時(shí)間間隙內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的大功率充電。

最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。